JP6393888B2 - 運搬装置 - Google Patents

Description

本発明は、運搬装置に関し、さらに詳しくは、複数の回転翼を備える無人航空機を用いて貨物を運搬することができる運搬装置に関するものである。

ヘリコプター等の飛行装置を用いた貨物の運搬方法の１つとして、飛行装置の外側にウインチを取り付けるとともに、ウインチに巻かれたケーブルの下端にフックを取り付けておき、フックに貨物を吊り下げて運搬するという方式が知られている。このような形態は、例えば特許文献１に記載されており、災害救助活動等に用いることが想定されている。

一般に、ウインチを用いてワイヤで物品を吊り下げ、移動させる場合には、ウインチによるワイヤの繰り出し量および巻き取り量を積算することで、物品の高さ位置が検出される。例えば、特許文献２に、ウインチを構成するモータおよびワイヤドラムに連結された位置検出器が、ワイヤロープの巻き取り量／送り出し量に応じて被吊り物の現在位置を検出することが、記載されている。

一方で、近年、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人飛行機（ＵＡＶ）、特に小型のマルチコプターが、急速に普及し、広範な分野への導入が試行されている。マルチコプターは複数のロータが搭載された飛行装置であり、これら各ロータの回転数を調節することにより機体のバランスをとりながら飛行する。マルチコプターの飛行制御、つまり飛行中の姿勢や位置の制御は、遠隔操作または自律制御によって行うことができる。

特開２００９−７３２２３号公報 特開平１１−７９６８２号公報

特許文献１に記載されるように、飛行装置の外側にワイヤ等の可撓性部材を取り付け、貨物を吊り下げて運搬するという方法を、無人航空機に適用すれば、ヘリコプター等、従来一般の飛行装置を用いる場合よりも高い利便性をもって貨物の運搬を行える可能性がある。マルチコプターにおいては、定点で浮揚させた状態に維持する制御（ホバリング）を高精度に行えるので、マルチコプターをホバリングさせた状態で、貨物の取り付けや取り外しの操作を簡便に行うことができる。特に、フック等、ワイヤの先端に貨物を支持する支持具を電気的に解除可能なものとし、マルチコプターの飛行制御と合わせて、遠隔操作または自律制御によって支持具の解除を行わせるようにすれば、貨物を運搬すべき目的地に到達したマルチコプターをホバリングさせ、人手を介さずに貨物を取り外すことが可能となる。

マルチコプターを着地させずに貨物を取り外す場合、特に、人手を介さずに貨物を取り外す場合には、貨物の損傷等の事態を避けるために、貨物が着地したことを確認してから、貨物の取り外しを行うことが好ましい。しかし、マルチコプター等の無人航空機は、三次元空間において位置座標を自在に変更することができるため、特許文献２に示されるように、ウインチにおけるワイヤの繰り出し量や巻き取り量に基づいて貨物の高さ位置を推定する方法では、貨物の着地を正確に検知できない可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、可撓性部材を介して無人航空機に貨物を吊り下げて運搬する運搬装置において、浮揚している無人航空機から貨物を地上に向けて下降させる際に、貨物の着地を確認したうえで貨物の取り外しを行うことができる運搬装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の運搬装置は、モータによって回転を駆動される複数の回転翼を有する無人航空機と、前記無人航空機に取り付けられ、運搬対象の貨物を支持可能な長尺状の可撓性部材よりなる支持ワイヤと、前記支持ワイヤに支持された前記貨物を上空から地上に向かって下降させる際に、前記貨物の着地を検知することができる着地検知部と、を有するものである。

ここで、前記着地検知部は、前記無人航空機に荷重によって印加される負荷、前記支持ワイヤに印加される荷重、前記貨物から地上までの距離の少なくとも１つの変化によって、前記貨物の着地を検知するとよい。

前記運搬装置は、前記無人航空機に固定され、前記支持ワイヤの巻き取りおよび繰り出しを行う巻き揚げ装置を有し、前記無人航空機が一定の高度で浮揚した状態で、前記巻き揚げ装置で前記支持ワイヤを繰り出すことで、前記支持ワイヤに支持された前記貨物を上空から地上に向かって下降させ、前記着地検知部は、前記モータの負荷電流および前記回転翼の回転数の少なくとも一方よりなる荷重パラメータを監視し、前記荷重パラメータの値の減少によって、前記無人航空機に荷重によって印加される負荷の減少を検出し、前記貨物の着地を検知するとよい。

あるいは、前記着地検知部は、前記支持ワイヤに印加される荷重を検出する荷重検出器を有し、前記支持ワイヤに印加される荷重の減少を検出することで、前記貨物の着地を検知するとよい。

あるいは、前記着地検知部は、前記支持ワイヤまたは前記貨物に固定された距離計測センサを備え、前記距離計測センサによって検出される地上までの距離と、前記距離計測センサから前記貨物の底面までの距離とを比較することで、前記貨物の着地を検知するとよい。

また、前記距離計測センサは、前記無人航空機の飛行状態を制御する制御部と無線により通信可能であるとよい。

前記支持ワイヤには、前記貨物を支持するとともに、前記無人航空機の飛行状態を制御する制御部によって前記貨物の支持を解除可能である支持具が設けられ、前記着地検知部は、前記制御部に計測結果を伝達し、該計測結果の入力を受けた前記制御部が、前記貨物の着地を検知すると、前記支持具による前記貨物の支持を解除するとよい。

上記発明にかかる運搬装置においては、着地検知部が備えられるので、支持ワイヤに支持された貨物を上空から地上に向かって下降させる際に、着地検知部を用いて、貨物の着地を確認したうで、貨物の取り外しを行うことができる。無人航空機の座標や支持ワイヤの垂下量を指標として、貨物の着地を推定するのではなく、貨物が着地したかどうかを直接検知することで、無人航空機が大きく高さ位置を変化させるような飛行や複雑な経路での飛行を行った後でも、貨物の着地を正確に確認することができる。また、貨物の形状や寸法が変化したとしても、それぞれの貨物の着地を正確に検知することができる。

ここで、着地検知部が、無人航空機に荷重によって印加される負荷、支持ワイヤに印加される荷重、貨物から地上までの距離の少なくとも１つの変化によって、貨物の着地を検知する場合には、いずれのパラメータも、貨物の着地を敏感に反映して変化するものであるので、貨物の着地を正確に検知することが可能となる。

運搬装置が、無人航空機に固定され、支持ワイヤの巻き取りおよび繰り出しを行う巻き揚げ装置を有し、無人航空機が一定の高度で浮揚した状態で、巻き揚げ装置で支持ワイヤを繰り出すことで、支持ワイヤに支持された貨物を上空から地上に向かって下降させ、着地検知部が、モータの負荷電流および回転翼の回転数の少なくとも一方よりなる荷重パラメータを監視し、荷重パラメータの値の減少によって、無人航空機に荷重によって印加される負荷の減少を検出し、貨物の着地を検知する場合には、無人航空機に貨物の荷重によって印加される負荷が、貨物の着地に伴って急激に小さくなるので、無人航空機が一定高度で浮揚しているために要するモータの負荷電流および回転翼の回転数が急激に減少することになる。この減少を検出することで、貨物の着地を正確に検知することができる。また、モータの負荷電流や回転翼の回転数を監視するための計測器は、比較的簡便に無人航空機に追加することが可能であり、着地検知部を簡素に構成することができる。

あるいは、着地検知部が、支持ワイヤに印加される荷重を検出する荷重検出器を有し、支持ワイヤに印加される荷重の減少を検出することで、貨物の着地を検知する場合には、貨物の着地に伴って、貨物から支持ワイヤに印加される荷重が急激に減少することになるので、貨物の着地を正確に検知することができる。

あるいは、着地検知部が、支持ワイヤまたは貨物に固定された距離計測センサを備え、距離計測センサによって検出される地上までの距離と、距離計測センサから貨物の底面までの距離とを比較することで、貨物の着地を検知する場合には、貨物の底面が着地した時に、距離計測センサを設けた位置から地上までの距離が、貨物の底面までの距離と等しくなることを利用して、貨物と地上との位置関係を直接監視し、貨物の着地を正確に検知することができる。

また、距離計測センサが、無人航空機の飛行状態を制御する制御部と無線により通信可能である場合には、支持ワイヤに重畳させる等の構成で通信線を設けることなく、制御部に貨物の着地を伝達することができる。貨物の底面に距離計測センサを固定することも簡便に行える。有線により通信することも可能であるが、巻き揚げ装置を使用する場合には、支持ワイヤの繰り出し量により、貨物と制御部の距離が変わるため、無線で通信することがより望ましい。

支持ワイヤに、貨物を支持するとともに、無人航空機の飛行状態を制御する制御部によって貨物の支持を解除可能である支持具が設けられ、着地検知部が、制御部に計測結果を伝達し、計測結果の入力を受けた制御部が、貨物の着地を検知すると、支持具による貨物の支持を解除する場合には、人手によらず自動的に、貨物の着地を確認したうえで、貨物の取り外しを完了することができる。

本発明の第一の実施形態にかかる運搬装置の概略を示す外観斜視図である。 上記運搬装置の制御系統の概略を示すブロック図である。 上記運搬装置において、貨物を地上に向けて下降させている途中の状態を示す斜視図である。 上記運搬装置にて、下降させた貨物が着地した状態を示す斜視図である。 本発明の第二の実施形態にかかる運搬装置の概略を示すブロック図である。 本発明の第三の実施形態にかかる運搬装置の概略を示す外観斜視図である。 上記第三の実施形態にかかる運搬装置の制御系統の概略を示すブロック図である。 本発明の各実施形態にかかる運搬装置おいて、補助ワイヤを用いる場合の構成を示す斜視図である。 本発明の各実施形態にかかる運搬装置に取り付けることができる抵抗部材を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる運搬装置について、図面を用いて詳細に説明する。本発明の一実施形態にかかる運搬装置は、運搬対象物である貨物を吊り下げた状態で上空を移動し、その貨物を運搬するものである。

［第一の実施形態：荷重負荷の検知］

（１）運搬装置の構成
図１は本発明の第一の実施形態にかかる運搬装置１の外観を示す斜視図である。運搬装置１は、主に、複数（ここでは６つ）の回転翼９１１を備える無人航空機であるマルチコプター９１と、マルチコプター９１の下側にアダプタプレート２１を介して固定されたウインチ（巻き揚げ装置）２０とを有する。そして、ウインチ２０に巻き回され、ウインチ２０によって繰り出しおよび巻き取りを行われる支持ワイヤ３０を有する。

支持ワイヤ３０は、金属材料や繊維材料、高分子材料等、任意の材料よりなる長尺状の可撓性部材（紐状部材）として構成されている。支持ワイヤ３０は、単線構造よりなっても、ロープのような撚線構造や、チェーンのように小部材が複数連結された構造よりなってもよい。支持ワイヤ３０の先端には、貨物Ｂを支持するために、フック状の支持具４１が結合されている。支持具４１の開閉部４１ａは、手動操作によって開閉可能であるとともに、制御信号の入力を受けて電気的に開動作を行うことができる。

図２は運搬装置１の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター９１は、主に、空中におけるマルチコプター９１の姿勢や飛行動作を制御するフライトコントローラ８３、回転することによりマルチコプター９１に揚力を発生させる複数の回転翼９１１、操縦者（送受信器８１）との無線通信を行う送受信器８２、およびこれらに電力を供給するバッテリー８４により構成される。

フライトコントローラ８３は、マイクロコントローラである制御部８３１を備えている。制御部８３１は、中央処理装置であるＣＰＵ、記憶装置であるＲＡＭ／ＲＯＭ、および、ＤＣモータ８６の回転を制御するＰＷＭコントローラを備えている。ＤＣモータ８６は、各回転翼９１１に結合されており、ＰＷＭコントローラからの指示により、ＥＳＣ（Electric Speed Controller）８５を介して、各ＤＣモータ８６の回転数（回転速度）が制御される。４つの回転翼９１１の回転数のバランスにより、マルチコプター９１の姿勢や位置が制御される。

各ＤＣモータ８６には、バッテリー８４から供給されて各ＤＣモータ８６に流れる負荷電流の電流量を計測する負荷電流検出器８６ａが付設されている。負荷電流検出器８６ａによって検出された負荷電流の情報は、制御部８３１に伝達される。制御部８３１に入力された負荷電流の情報は、フィードバック制御等の形態で、マルチコプター９１の姿勢や位置の制御に利用されるとともに、荷重負荷の監視によって貨物Ｂの着地を検知する着地検知部としても利用される。

フライトコントローラ８３はセンサ群８３２およびＧＰＳ受信器８３３を備えており、これらは制御部８３１に接続されている。マルチコプター９１のセンサ群８３２には、加速度センサ、ジャイロセンサ（角速度センサ）、気圧センサ、地磁気センサ（電子コンパス）などが含まれている。

制御部８３１のＲＡＭ／ＲＯＭには、マルチコプター９１の飛行時における飛行制御アルゴリズムが実装された飛行制御プログラムが記憶されている。制御部８３１はセンサ群８３２から取得した情報を用いて飛行制御プログラムによりマルチコプター９１の姿勢および位置を制御することができる。本実施形態においては、マルチコプター９１の飛行操作を、操縦者が送受信器８１を介して手動で行うことができる。あるいは、ＧＰＳ座標や高度、飛行ルートなどの飛行計画がパラメータ化された自律飛行プログラムを別途実装し、自律的に飛行させるように構成してもよい。

ウインチ２０は、制御部８３１のＰＷＭコントローラを介して制御され、支持ワイヤ３０の繰り出しおよび巻き取りの動作を行う。ウインチ２０に支持ワイヤ３０の繰り出しおよび巻き取りを行わせるための指令は、操縦者が送受信器８１を介して行うことができる。あるいは、自律飛行プログラムの一機能として、マルチコプター９１の位置座標等に基づいて、プログラムに従って自動的に行うようにしてもよい。ウインチ２０による支持ワイヤ３０の繰り出しおよび巻き取りを駆動する電力は、マルチコプター９１のバッテリー８４から供給されている。

支持ワイヤ３０の先端に設けられたフック状の支持具４１は、上記のように、手動操作によって開閉部４１ａを開閉可能であるが、制御部８３１からの制御信号によって、閉状態にある開閉部４１ａを開状態とすることができる。この開動作を行うための電源は、バッテリー８４から供給される。支持具４１と制御部８３１およびバッテリー８４との間をそれぞれ接続する信号線および給電線は、支持ワイヤ３０に重畳して設けられている。

（２）貨物の運搬方法の概略
運搬装置１を用いて貨物Ｂを運搬するに際し、最初に、所定の貨物取り付け地点において、運搬装置１に貨物Ｂを取り付ける。運搬装置１への取り付けに先立ち、貨物Ｂに、支持具４１で支持可能な被支持構造を形成しておく必要がある。例えば、本実施形態のように支持具４１がフック状である場合に、貨物ＢにベルトスリングＢ１等の紐状部材を掛け渡し、点吊り（一点吊りまたは多点吊り、好ましくは多点吊り）の形態で支持具４１のフックに掛けることができるループ構造を形成しておけばよい。

被支持構造を利用して貨物Ｂを支持具４１で支持し、支持ワイヤ３０の先端に貨物Ｂを取り付けるが、この際、マルチコプター９１を地上Ｇに待機させた状態で貨物Ｂの取り付けを行ってから、マルチコプター９１の飛行を開始させることができる。あるいは、貨物Ｂを取り付けていない状態の運搬装置１を貨物取り付け地点の上空に飛来させ、貨物取り付け位置の上空の定位置でマルチコプター９１を浮揚させた状態で（ホバリング）、地上Ｇから貨物Ｂの取り付けを行ってもよい。この場合には、マルチコプター９１がホバリングしている状態で、制御部８３１によってウインチ２０が駆動され、地面Ｇに載置した貨物Ｂを支持具４１に取り付けることができる高さ位置まで、支持ワイヤ３０が繰り出される。この状態で、作業者が地上Ｇから支持具４１を操作し、被支持構造のループを支持具４１に掛ける等して、地面Ｇに載置した貨物Ｂを支持具４１に取り付ける。貨物Ｂを取り付けた後、支持具４１の開閉部４１ａは閉状態とされる。なお、本明細書において、マルチコプター９１がホバリングする定位置には、貨物Ｂの取り付け、取り外しに支障を来さない程度の誤差まで含むものとする。

作業者が貨物Ｂの取り付け作業を完了すると、制御部８３１によってウインチ２０が駆動され、支持ワイヤ３０が巻き上げられる。これにより、支持ワイヤ３０の先端に支持された貨物Ｂが、上空へ引き上げられる。支持ワイヤ３０の巻き上げは、支持ワイヤ３０の垂下量がほぼなくなるまで行われる。このようにして、ウインチ２０の直下に貨物Ｂを吊り下げた状態になると、マルチコプター９１は、ホバリングをやめ、貨物Ｂを運搬する目的地まで飛行して移動する。

運搬装置１が目的地に達すると、送受信器８１を介した操縦者からの指令に従って、あるいは、制御部８３１に記憶された自律飛行プログラムに従って、制御部８３１が貨物取り外し工程を開始する。貨物取り外し工程において、マルチコプター９１は、ホバリングを行うように制御される。そして、制御部８３１によってウインチ２０が駆動され、支持ワイヤ３０が下方に繰り出される。これにより、図３に示すように、支持ワイヤ３０に支持された貨物Ｂが、上空から地上Ｇに向かって下降される。支持ワイヤ３０の繰り出しは、次に詳しく説明するように、地面Ｇへの貨物Ｂの着地が検知されるまで行われる。

図４に示すように貨物Ｂが着地し、制御部８３１において着地が検知されると、ウインチ２０による支持ワイヤ３０の繰り出しが停止される。そして、制御部８３１からの指令により、支持具４１の開閉部４１ａが開状態とされる。これにより、支持具４１による貨物Ｂの支持が解除され、貨物Ｂが支持ワイヤ３０から取り外される。なお、支持ワイヤ３０の繰り出しの停止を、地面Ｇへの貨物Ｂの着地が検出された直後の支持ワイヤ３０が緊張している状態において行うよりも、支持具４１による支持の解除を安定に行う観点から、図４に示すように、地面Ｇへの貨物Ｂの着地が検出された時点からある程度支持ワイヤ３０の繰り出しを継続してから停止し、支持ワイヤ３０に撓みをもたせておく方が好ましい。

ここで説明した貨物取り外し工程は、操縦者からの指令または自律飛行プログラムによって開始されると、自動的に進行され、作業者による手作業を必要としない。貨物Ｂの取り外しが完了すると、ウインチ２０によって支持ワイヤ３０が巻き取られ、運搬装置１は適宜別の場所に飛行する。

（３）貨物の着地の検知
上記のように、貨物取り外し工程において、ウインチ２０によって支持ワイヤ３０を繰り出し、貨物Ｂを上空から地上Ｇに向かって下降させる際、制御部８３１が、貨物Ｂが着地したことを検知して、支持ワイヤ３０の繰り出しを停止する。そして、支持具４１に貨物Ｂの支持の解除を指令する。これらの動作の契機となる貨物Ｂの着地の検知は、ＤＣモータ８６に設けられた負荷電流検出器８６ａと制御部８３１が、着地検知部として機能することによって行われる。

図３のように、所定の高さＨでホバリングしている状態のマルチコプター９１において、支持ワイヤ３０を介して貨物Ｂを吊り下げている状態においては、貨物Ｂの荷重を全てマルチコプター９１で支持する必要がある。その荷重を支持した状態で、高さＨを維持できるだけの揚力を発生させるために、図３中に仮想線で示したように、各回転翼９１１は高速で回転する必要がある。そのために、各ＤＣモータ８６には、大きな負荷電流が流れる。

図３の状態からウインチ２０によって支持ワイヤ３０を繰り出すと、図４のように、貨物Ｂが地面Ｇに接触し、着地する。貨物Ｂが着地すると、貨物Ｂの荷重が地面Ｇによって支持されるようになるので、マルチコプター９１が貨物Ｂの荷重を支持しなくてよくなる。すると、図４中に仮想線で示したように、貨物Ｂが着地する前と同じ高さＨでのホバリングを維持するために必要とされる回転翼９１１の回転数が、小さくて済むようになる。その結果、各ＤＣモータ８６に流れる負荷電流も小さくなる。

このように、同じ高さＨを維持してホバリングする飛行制御が行われている状態において、貨物Ｂが着地すると、負荷電流検出器８６ａで計測され、制御部８３１で監視されている各ＤＣモータ８６に流れる負荷電流が、急激に減少する。よって、制御部８３１は、負荷電流の急激な減少を検出することで、マルチコプター９１に荷重によって印加される負荷(荷重負荷)の不連続な減少を検知し、すなわち貨物Ｂの着地を検知することができる。

貨物Ｂの着地はマルチコプター９１における荷重負荷の不連続な減少として敏感に反映され、さらに、ホバリング制御されているマルチコプター９１において、荷重負荷の変化はＤＣモータ８６の負荷電流の変化に敏感に反映されるので、ＤＣモータ８６の負荷電流を指標とすることで、貨物Ｂの着地を高精度に検知することができる。本実施形態においては、ＤＣモータ８６に負荷電流検出器８６ａを設け、ＤＣモータ８６に流れる負荷電流をマルチコプター９１の荷重負荷の指標として監視したが、代わりに、回転翼９１１に回転数を検出する回転数検出器を設け、マルチコプター９１の荷重負荷の指標として制御部８３１で監視してもよい。この場合には、回転翼９１１の回転数が急激に減少するのを検出して、貨物Ｂが着地したのを検知することになる。つまり、ＤＣモータ８６の負荷電流および回転翼９１１の回転数の少なくとも一方を、マルチコプター９１の荷重負荷を反映する荷重パラメータとして監視し、荷重パラメータの値の急激な減少によって、貨物Ｂの着地を検出すればよい。

このように、着地検知部によって貨物Ｂの着地を直接的に確認してから、ウインチ２０からの支持ワイヤ３０の繰り出しを停止し、支持具４１による貨物Ｂの支持を解除することで、貨物Ｂに衝撃を与えずに、貨物Ｂの取り外しを安全に行うことができる。マルチコプター９１によって三次元空間を自在に移動することができる搬送装置１において、貨物Ｂの高さ位置を変更可能な手段としては、マルチコプター９１の位置座標の変更と、ウインチ２０からの支持ワイヤ３０の繰り出し量の変更の２つが併存している。しかし、マルチコプター９１の位置座標や支持ワイヤ３０の繰り出し量に基づいて貨物Ｂの高さ位置を算出することで着地を推定するのではなく、着地検知部によって貨物Ｂの着地を直接検出することで、マルチコプター９１の位置座標の変化が大きく、また複雑である場合にも、正確に貨物Ｂの着地を確認することができる。

支持具４１による貨物Ｂの支持の解除を、制御部８３１からの制御信号によって行うのではなく、地上Ｇにいる作業者が手作業で行う場合にも、着地検知部を用いた貨物Ｂの着地の確認によって、貨物Ｂの取り外しを安全に行う効果を享受することができる。しかし、本実施形態のように、支持具４１による貨物Ｂの支持の解除を人手によらず行う場合には、着地検知部を用いることで、貨物Ｂを支持した支持ワイヤ３０をウインチ２０から繰り出す動作の開始さえ指令すると、貨物Ｂの取り外しが完了するまでの制御全体を、自動的に安全に遂行することが可能となる。

ＤＣモータ８６の負荷電流を検出する負荷電流検出器８６ａや、回転翼９１１の回転数を検出する回転数検出装置は、貨物Ｂの着地の検出を行わない一般のマルチコプターに対して比較的簡便に追加することができ、フィードバック制御等を用いたマルチコプターの姿勢や位置の制御等にも利用することができる。よって、従来一般のマルチコプターの構成を用いて、本実施形態のように、荷重パラメータを監視することで貨物Ｂの着地を検知する着地検知部を簡便に構築することができる。その結果、マルチコプター９１を用いた運搬装置１において、構成の複雑化および重量の増加を避けて、着地検知部を構成することができる。

［第二の実施形態：支持ワイヤの荷重の検知］
貨物Ｂの着地を検知する着地検知部の構成として、上記第一の実施形態において説明したマルチコプター９１の荷重負荷を指標とする方法以外に、種々の方法が考えられる。ここでは、本発明の第二の実施形態として、支持ワイヤ３０の荷重を指標とする方法について簡単に説明する。以降、第二の実施形態および第三の実施形態、第四の実施形態においては、第一の実施形態と共通する構成については説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。

図５に、本発明の第二の実施形態にかかる運搬装置１Ａの構成をブロック図として示す。ここでは、荷重検出器２０ａが設けられている。荷重検出器２０ａは、ウインチ２０に取り付け、上空から地上Ｇに向かって垂下する支持ワイヤ３０の基端（ウインチ２０に巻き回された支持ワイヤ３０がウインチ２０の周を離れる点）に印加される荷重を計測すればよい。荷重検出器２０ａで計測された荷重の情報は、制御部８３１に伝達され、監視される。荷重検出器２０ａの電源は、バッテリー８４から供給される。

支持ワイヤ３０を垂下させ、支持ワイヤ３０の先端に貨物Ｂを吊り下げたマルチコプター９１が上空に浮揚している状態においては、貨物Ｂの荷重によって、支持ワイヤ３０が緊張され、支持ワイヤ３０の基端に大きな荷重が印加されている（図３参照）。一方、支持ワイヤ３０がさらに繰り出され、貨物Ｂが地面Ｇに接触し、着地すると、貨物Ｂの荷重が地面Ｇによって支持されるようになるので、支持ワイヤ３０の緊張が解除され、支持ワイヤ３０の基端に印加される荷重が急激に減少する（図４参照）。つまり、ウインチ２０による支持ワイヤ３０の繰り出しに伴って、荷重検出器２０ａによって計測される荷重が急激に減少するのを検出することで、貨物Ｂが着地したことを検知することができる。

このように、荷重検出器２０ａを用いて着地検知部を構成することにより、第一の実施形態のように荷重負荷の監視によって着地検知部を構成する場合と同様に、貨物Ｂの着地に伴って急に地面Ｇによって貨物Ｂの荷重が支持されるようになることを利用して、貨物Ｂの着地を高精度に検知することができる。ただし、荷重検出器２０ａを用いる場合には、貨物Ｂの着地の前後でマルチコプター９１の高度が変化しても、貨物Ｂの着地が支持ワイヤ３０の荷重の変化に反映されるので、貨物Ｂの下降を、ウインチ２０による支持ワイヤ３０の繰り出しによって行うのではなく、マルチコプター９１の高度を下げることによって行っても、着地の検知を同様に行うことができる。ウインチ２０は必須に設けられるべきものではなく、支持ワイヤ３０が比較的短い場合等には、ウインチ２０を省略し、支持ワイヤ３０の基端を直接マルチコプター９１に固定して設けることができ、このような場合には、支持ワイヤ３０に印加される荷重の監視による着地の検知を好適に利用することができる。なお、荷重検出器２０ａを用いて支持ワイヤ３０に印加される荷重を直接計測する以外に、ウインチ２０に張力検出器を設け、支持ワイヤ３０の基端に印加される張力を計測することでも、支持ワイヤ３０に印加される荷重の変化を監視することができる。支持ワイヤ３０に印加される張力は、荷重と密接に関連しており、張力が急激に減少するのを検出することで、貨物Ｂの着地を検知することができる。

［第三の実施形態：地面までの距離の検知］
次に、着地検知部のさらに別の構成として、貨物Ｂから地上Ｇまでの距離を指標とする形態について説明する。本発明の第三の実施形態にかかる運搬装置１Ｂについて、図６に外観斜視図を、図７にブロック図を示す。

運搬装置１Ｂにおいては、貨物Ｂの底面に、距離計測センサ（測距センサ）６０が貼り付けられており、測距センサ６０から地上Ｇまでの距離が計測される。測距センサ６０としては、レーザを利用したもの等、公知の測距センサを用いることができる。ここでは、測距センサ６０は、給電用の電池を備え、制御部８３１との間で無線通信を行うことで、計測した地上Ｇまでの距離に関する情報を制御部８３１に伝達することができる。また、測距センサ６０は、貨物Ｂの安定な着地を妨げない薄型の形状を有している。

支持ワイヤ３０で支持した貨物Ｂをウインチ２０によって地上Ｇに向かって下降させる間、測距センサ６０によって計測される地上Ｇまでの距離は、連続的に小さくなる。そして、貨物Ｂが着地すると、その距離はゼロとなる。それ以上にウインチ２０で支持ワイヤ３０を繰り出して支持ワイヤ３０を撓ませても、計測される距離はゼロのまま変化しない。制御部８３１は、このように、測距センサ６０によって計測される地上Ｇまでの距離が徐々に減少した後、ゼロのまま変化しなくなる挙動を検出することで、貨物Ｂの着地を検知することができる。なお、普及している廉価な測距センサでは距離がゼロである場合を検出できないものが多い。こうした場合は、貨物Ｂの底面から検出最短距離程度上方に測距センサ６０を設置すればよく、上記で、距離ゼロを検出最短距離と読み替えればよい。

このように、貨物Ｂから地上Ｇまでの距離を指標として貨物Ｂの着地を検知する形態によると、支持ワイヤ３０の荷重を指標とする第二の実施形態と同様に、貨物Ｂの下降を、ウインチ２０のよる支持ワイヤ３０の繰り出しではなく、マルチコプター９１の高度を下げることによって行う場合にも、着地の検知を行うことができる。着地検知部の構成の簡素さと軽量性において、本実施形態の測距センサ６０を用いる形態は、第二の実施形態の荷重検知器を用いる場合より優れている。

測距センサ６０は、貨物Ｂの底面に限らず、貨物Ｂ自体や貨物Ｂ周辺の任意の位置に設けることができる。そして、測距センサ６０によって計測される地面Ｇまでの距離と、測距センサ６０から貨物Ｂの底面までの距離とを比較することで、貨物Ｂの着地を検知することができる。例えば、測距センサ６０から地面Ｇまでの距離が、貨物Ｂの底面までの距離と等しくなった時に、貨物Ｂが着地したと検知することができる。貨物Ｂの周辺に測距センサ６０を設ける場合の例として、支持ワイヤ３０上の位置、特に支持具４１が設けられた支持ワイヤ３０の先端部を例示することができる。この場合には、貨物Ｂによる妨害を受けずに地上Ｇまでの距離を計測するために、支持ワイヤ３０の軸から外側に向かって貨物Ｂよりも張り出させて測距センサ６０を設けることになる。支持ワイヤ３０上に測距センサ６０を設ける場合には、貨物Ｂが着地した後、さらにウインチ２０での支持ワイヤ３０の繰り出しを継続すると、測距センサ６０によって計測される地面Ｇまでの距離が、測距センサ６０から貨物Ｂの底面までの距離と等しくなった後もさらに、計測される距離がそれ以下に小さくなる。このように、測距センサ６０を取り付ける位置は特に限定されないが、図６に示すように、貨物Ｂ自体に取り付けておけば、測距センサ６０で計測される距離が一定のまま変化しなくなる現象が検出されることで、貨物Ｂの着地をより正確に検知することができる。事前に測距センサ６０と貨物Ｂの底面の間の長さの演算や測定を行うことも必要ないので、簡便に着地検知の運用を行うことができる。特に、貨物Ｂの底面に測距センサを固定する場合には、貨物Ｂの形状や寸法、特に高さが変化しても、それらに依存することなく、底面部での着地を検知することができる。一方、支持ワイヤ３０等、運搬装置１Ｂの構成部材に測距センサ６０を取り付けておけば、貨物の取り付け、取り外しのたびに測距センサ６０の着脱を行わなくても済む。

本実施形態においては、測距センサ６０を用いて地上Ｇまでの距離を継続的に監視しているので、単に貨物Ｂが着地したか否かだけではなく、着地するまでの地上Ｇとの距離の変化に関する情報を、マルチコプター９１やウインチ２０の制御に利用することができる。例えば、貨物Ｂを着地の衝撃から保護するために、貨物Ｂが地面Ｇに到達する直前、例えば地面Ｇから１０ｃｍ程度の高さに達した時に、マルチコプター９１またはウインチ２０を制御して、貨物Ｂの下降速度をそれまでよりも緩やかにすることが考えられる。ただし、通常の廉価なウインチでは、支持ワイヤ３０を繰り出す速度を制御できないものが多く、マルチコプター９１の機体を緩やかに上昇させる制御を行うことが好ましい。例えば、ウインチ２０による支持ワイヤ３０の繰り出しによる貨物Ｂの下降速度以下の速度で、マルチコプター９１の機体を上昇させることで、貨物Ｂの緩やかな着地を実現することができる。

上記で説明した形態では、測距センサ６０が、電池を備え、制御部８３１と無線通信を行うものであったが、このようなものに限られず、バッテリー８４から給電を受け、制御部８３１と有線通信を行うものであってもかまわない。その場合には、測距センサ６０とバッテリー８４および制御部８３１との間をそれぞれ接続する給電線および信号線は、支持ワイヤ３０に重畳して設けられることになる。しかし、上記のように、電池式で無線通信を行える測距センサ６０を使用することで、図６のように貨物Ｂの底面に測距センサ６０を取り付けることも容易に行える。また、給電線および信号線の配備による構成の複雑化とコストの上昇を避けることができる。

［第四の実施形態：地面との接触の検知］
最後に、着地検知部のさらに別の構成として、地面Ｇへの接触を機械的に検知する形態について簡単に説明する。

ここでは、貨物Ｂに、接触検知部材を取り付けておく。接触検知部材は、自身が地面Ｇに接触したことを検知し、制御部８３１にそれを伝達する部材である。具体的な接触検知部としては、圧力センサ、加速度センサ、静電容量センサ等、物体の接触を機械的に検知することができる任意の接触検知センサを使用することができる。

接触検知センサは、貨物Ｂの下面に直接取り付けてもよいが、貨物Ｂの底面から下方に突き出させて、脚部材を設けておき、その脚部材の先端に接触検知センサを取り付けることが好ましい。この場合には、脚部材が貨物Ｂよりも先に地面Ｇに到達するので、貨物Ｂの地面Ｇへの到達を直前に検知することができる。また、この場合に、脚部材は、貨物Ｂの着地時の衝撃を和らげる緩衝部材としても機能する。この観点から、脚部材は、貨物Ｂを支持した状態のまま、地面Ｇに安定に着地し、その状態を維持できるような構造および材質よりなるとよい。

［その他の構成］
上記各実施形態にかかる運搬装置１（または１Ａ〜１Ｃ）において、変形形態として、下記のような構成を追加することもできる。上記で説明した着地検知部は、運搬した貨物Ｂの下降および取り外しを安定して行うためのものであったが、以下に示す２つの構成は、運搬すべき貨物Ｂの取り付けを安定に行うためのものである。貨物Ｂの運搬工程全体を円滑に進めるために、貨物Ｂの取り付けにおける安定性も重要である。

（１）補助ワイヤの追加
上記実施形態にかかる運搬装置１（または１Ａ〜１Ｃ）において、ホバリングしているマルチコプター９１から垂下させた支持ワイヤ３０に貨物Ｂを取り付ける貨物取り付け工程等を実施する際、作業者が地上Ｇから支持ワイヤ３０の先端の支持具４１を操作し、地上Ｇに載置した貨物Ｂを取り付けることになる。その作業中に、支持ワイヤ３０が作業者に引っ張られると、その力が支持ワイヤ３０を介してマルチコプター９１に伝達され、マルチコプター９１の姿勢が不安定化される可能性がある。

このような貨物Ｂの取り付け作業に伴うマルチコプター９１への力の伝達を抑制するために、図８に示す運搬装置１Ｄのように、支持ワイヤ３０の中途の結合点３１から分岐させるように、補助ワイヤ４０を設けておけばよい。そして、補助ワイヤ４０の長さを、支持ワイヤ３０の長手方向に沿って補助ワイヤ４０を垂下させた状態において、支持ワイヤ３０の先端よりも外側（下側）まで延出するように設定しておけばよい。

補助ワイヤ４０は、支持ワイヤ３０と同じ可撓性部材よりなってもよいが、支持ワイヤ３０よりも高い可撓性を有することが好ましい。可撓性の差は、例えば、補助ワイヤ４０を支持ワイヤ３０よりも細く形成すること、および／または補助ワイヤ４０を支持ワイヤ３０よりも剛性の低い材質で形成することによって実現できる。補助ワイヤ４０は、支持ワイヤ３０よりも高い可撓性を有する代わりに、あるいはそれに加えて、支持ワイヤ３０よりも高い伸縮性を有していてもよい。

ここでは、支持具４１は、支持ワイヤ３０の先端に設ける代わりに、補助ワイヤ４０の先端に設けておく。ただし、支持ワイヤ３０の先端にも、適宜、同様の予備支持具３２を設けてもよい。また、支持ワイヤ３０の中途部には、補助ワイヤ４０を不使用時に折り畳んで支持ワイヤ３０に係止することができるピン状の係止具３３を設けてもよい。

貨物Ｂの取り付けを行うに際し、マルチコプター９１がホバリングされ、補助ワイヤ４０とともにウインチ２０に巻き取られた支持ワイヤ３０が、ウインチ２０から繰り出されて垂下される。ここで、支持ワイヤ３０の繰り出し量は、支持ワイヤ３０の先端に設けた予備支持具３２が地面Ｇに接触せず、かつ、補助ワイヤ４０の先端を垂下させた状態において、補助ワイヤ４０を緊張させることなく、地面Ｇに載置した貨物Ｂを、補助ワイヤ４０の先端の支持具４１で支持できるように定められる。このような繰り出し量で支持ワイヤ３０の繰り出しが停止されると、作業者が、支持具４１に貨物Ｂを取り付ける作業を行う。作業中、貨物Ｂは地面Ｇに載置した状態に維持しておく。この時、ウインチ２０からの支持ワイヤ３０の繰り出し量が上記のように定められていることにより、補助ワイヤ４０は緊張されず、撓みを維持した状態にある。この取り付け作業を行う間、作業者は、図８に示す状態のように、常に補助ワイヤ４０を緊張させず、撓ませた状態に維持することが好ましい。

このように、支持ワイヤ３０よりも下方に延出する補助ワイヤ４０を設け、補助ワイヤ４０の方に貨物Ｂを支持する支持具４１を設けておいたうえで、補助ワイヤ４０を緊張させずに貨物Ｂの取り付け作業を行うことで、補助ワイヤ４０の撓みが取り付け作業に余裕をもたらし、作業者が補助ワイヤ４０を引張らなくても貨物Ｂの取り付け作業を行いやすくなる。さらに、補助ワイヤ４０の先端近傍に多少の力が印加されることがあっても、その力は、補助ワイヤ４０の撓みによって吸収され、支持ワイヤ３０に伝達されにくくなっている。よって、補助ワイヤ４０に印加される力が、補助ワイヤ４０やウインチ２０を介してマルチコプター９１まで伝達されにくくなっている。その結果、取り付け作業中も、ホバリングしているマルチコプター９１の姿勢が安定に保持され、取り付け作業をスムーズに進めることができるとともに、マルチコプター９１に過剰な負荷を与えることが回避される。特に、補助ワイヤ４０が支持ワイヤ３０よりも高い可撓性や伸縮性を有する場合には、作業者による貨物Ｂの取り付けを行いやすくする効果、および補助ワイヤ４０に印加された力を支持ワイヤ３０に伝達されにくくする効果が、一層高められる。なお、支持ワイヤ３０の先端の予備支持具３２は、マルチコプター９１を着陸させた状態で質量の大きな貨物Ｂを取り付けてから離陸させる場合に、貨物Ｂを取り付けるのに使用すればよい。支持ワイヤ３０よりも自由端が長く延出し、しかも高い可撓性や伸縮性を有する補助ワイヤ４０の先端に設けた支持具４１に貨物Ｂを取り付けるよりも、離陸時に貨物Ｂを安定に保持できるからである。
（２）抵抗部材の追加
上記実施形態にかかる運搬装置１（または１Ａ〜１Ｄ）において、マルチコプター９１をホバリングさせて貨物取り付け工程等を実施するために、貨物Ｂが吊り下げられていない状態の支持ワイヤ３０を下方へ繰り出すと、空気抵抗や自然の風、ホバリングしているマルチコプター９１の回転翼９１１によって発生される風等の影響で、支持ワイヤ３０が揺動し、安定に支持ワイヤ３０の繰り出しを行えない場合がある。支持ワイヤ３０の先端に錘を取り付ければ、このような揺動を防ぐことができるが、マルチコプター９１への負荷を軽減する観点から、マルチコプター９１および付属部材においては、軽量化が重要な課題であり、そのような錘を取り付けることは現実的ではない。

そこで、支持ワイヤ３０の中途部に、図９に示すような抵抗部材５０を設けることが考えられる。抵抗部材５０は、マルチコプター９１の回転翼９１１によって発生される風によって変形しない程度に硬質の材料よりなっており、支持ワイヤ３０に固定された固定部５２と、複数の羽根部材５１を有している。羽根部材５１は、一端を固定部５２に固定され、支持ワイヤ３０の先端側（下側）に向かって、支持ワイヤ３０の軸から離れるように広がった面形状を有している。また、羽根部材５１の面は、支持ワイヤ３０の軸に対して放射状に広がっているのではなく、固定部５２に固定された上端部から、広がった下端部に向かって支持ワイヤ３０の軸に対する角度を徐々に変化させた、傾斜面構造を有している。

ホバリングしているマルチコプター９１の下方の領域では、回転翼９１１によって、下方へ向かう風が発生している。抵抗部材５０がこの下方へ向かう風を受けると、空気抵抗を生じ、支持ワイヤ３０に、基端側から先端側に向かう張力を与える。この張力によって、支持ワイヤ３０の揺動が防がれ、ウインチ２０によって安定して支持ワイヤ３０を下方へ繰り出すことができる。

マルチコプター９１から下方に向かって発生される風は渦巻いているが、抵抗部材５０を、雨傘のように一体に連続した形状に構成するのではなく、相互の間に空隙を有する複数の羽根部材５１として形成すること、特に、それらの羽根部材５１に上記のような傾斜面構造を設けることにより、風の渦巻き状態が複雑になっても、ワイヤ部分の質量を増やすことなく、安定して支持ワイヤ３０に下方へ向かう張力を与えることができる。垂下した支持ワイヤ３０の長手方向の全域の垂下状態を極力安定化する観点から、抵抗部材５０は、ワイヤ３０の先端に近い位置に設けることが好ましい。しかし、抵抗部材５０を設ける位置がマルチコプター９１から離れすぎても、回転翼９１１から下方に向かう風の風量が減少してしまい、空気抵抗を発生する効果が小さくなる。回転翼９１１から風を十分に受けながら支持ワイヤ３０のなるべく長い領域の垂下状態を安定することができる取り付け位置として、例えば、上記のような補助ワイヤ４０を設ける場合に、補助ワイヤ４０が分岐する結合点３１のすぐ上方に隣接した位置に抵抗部材５０を設ける構成が考えられる。

なお、ここで説明した形態では、抵抗部材５０の固定部５２は支持ワイヤ３０に固定されているが、支持ワイヤ３０に対して軸回転可能に取り付けておき、抵抗部材５０全体がある程度の慣性力をもって支持ワイヤ３０の周りに回転するようにしてもよい。これにより、風が渦巻いている状況での支持ワイヤ３０の安定化を一層高度に実現することができる。さらに、抵抗部材５０の形状としては、下方に向かって広がった羽根部材５１を有するものに限られず、マルチコプター９１から下方に向けて発生する風を受けて、支持ワイヤ３０に下向きの張力を与えることができるものであれば、どのような形状であってもかまわない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Claims (2)

1. モータによって回転を駆動される複数の回転翼を有する無人航空機と、
   前記無人航空機に取り付けられ、運搬対象の貨物を支持可能な長尺状の可撓性部材よりなる支持ワイヤと、
   前記支持ワイヤに支持された前記貨物を上空から地上に向かって下降させる際に、前記貨物の着地を検知することができる着地検知部と、
   前記無人航空機に固定され、前記支持ワイヤの巻き取りおよび繰り出しを行う巻き揚げ装置と、を有し、
   前記無人航空機が一定の高度で浮揚した状態で、前記巻き揚げ装置で前記支持ワイヤを繰り出すことで、前記支持ワイヤに支持された前記貨物を上空から地上に向かって下降させ、
   前記着地検知部は、前記モータの負荷電流および前記回転翼の回転数の少なくとも一方よりなる荷重パラメータを監視し、前記荷重パラメータの値の減少によって、前記無人航空機に荷重によって印加される負荷の減少を検出することで、前記貨物の着地を検知することを特徴とする運搬装置。
2. 前記支持ワイヤには、前記貨物を支持するとともに、前記無人航空機の飛行状態を制御する制御部によって前記貨物の支持を解除可能である支持具が設けられ、
   前記着地検知部は、前記制御部に計測結果を伝達し、該計測結果の入力を受けた前記制御部が、前記貨物の着地を検知すると、前記支持具による前記貨物の支持を解除することを特徴とする請求項１に記載の運搬装置。

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